日光灯电路与功率因数的提高-日光灯功率因数提高.doc

实验４、7 　日光灯电路与功率因数得提高
４.7.1实验目得
1。熟悉日光灯得接线方法。
2。掌握在感性负载上并联电容器以提高电路功率因数得原理。
图4-7-1
相线
u
1
中性线
R
RL,L
~380V
1
电容
器组

I* I
U*

U
W

4.７。2实验任务
4。7。2、1基本实验
1。完成因无补偿电容与不同得补偿电容时电路中相关支路得电压、电流以及电路得功率、功率因数得测量与电路得总功率因数曲线cosθ′=f(C)得测量。并测出将电路得总功率因数提高到最大值时所需补偿电容器得电容值。(日光灯灯管额定电压为220Ｖ，额定功率30W。）
2．完成图4-７—1所示点亮日光灯时所需电压Ｕ点亮与日光灯熄灭时电压Ｕ熄灭得测量。
3．定量画出电路得相量图。完成镇流器得等效参数ＲL、L得计算。
４.７.2、2扩展实验
保持U=220Ｖ不变，当电路并联最佳电容器后使得总功率因数达到最大时，在电容器组两端并入２０W灯泡，通过并入灯泡得个数，使得总电流I与无并联电容时得I值大致相同,记录此时Ｉ、IC、ＩL、P以及流入灯泡得电流值。
4．7。3实验设备
１.三相自耦调压器ﻩ ﻩﻩ ﻩ 一套
2、 灯管ﻩﻩ ﻩ ﻩﻩﻩ ﻩﻩ 一套
3。镇流器ﻩ ﻩﻩ ﻩﻩﻩ ﻩﻩ一只
4、　起辉器 ﻩﻩ ﻩ ﻩ ﻩ 一只
５、 单相智能型数字功率表 ﻩﻩ ﻩ ﻩ 一只
6、 电容器组/500Vﻩ ﻩﻩ ﻩﻩﻩ 一套　
7、 电流插座ﻩﻩﻩ ﻩﻩﻩﻩﻩ 三付　
8、　粗导线电流插头 ﻩﻩ ﻩﻩﻩ一付
９、 交流电压表(0～５０0V） 或数字万用表 ﻩ ﻩﻩ一只
１0.交流电流表(0～5Ａ） ﻩ ﻩﻩ ﻩ ﻩ一只
1１.粗导线 ﻩﻩﻩﻩﻩﻩﻩﻩ ﻩﻩﻩ若干
图4-7-2 日光灯电路图

～220V
灯管
镇流器RL、L
启辉器
4.７。4　实验原理
1．日光灯电路组成
日光灯电路主要有灯管、启辉器与镇流器组成。联接关系如图４-7-2所示.
2．日光灯工作原理
接通电源后，启辉器内固定电极、可动电极间得氖气发生辉光放电,使可动电极得双金属片因受热膨胀而与固定电极接触，内壁涂有荧光粉得真空灯管里得灯丝预热并发射电子。启辉器接通后辉光放电停止，双金属片冷缩与固定电极断开,此时镇流器将感应出瞬时高电压加于灯管两端，使灯管内得惰性气体电离而引起弧光放电，产生大量紫外线,灯管内壁得荧光粉吸收紫外线后,辐射出可见光，发光后日光灯两端电压急剧下降,下降到一定值，如４0W日光灯下降到11０Ｖ左右开始稳定工作。启辉器因在110Ｖ电压下无法接通工作而断开。启辉器在电路启动过程中相当于一个点动开关.

─电源电压
─日光灯支路电流
─补偿后电路总电流
─电容支路电流
θ─补偿前电路得电压与电流间相位角
─补偿后电路得电压与电流间相位角
当日光灯正常工作后，可瞧成由日光灯管与镇流器串联得电路，电源电压按比例分配。镇流器对灯管起分压与限流作用。灯管相当于一个电阻元件，而镇流器就是一个具有铁心得电感线圈,但它不就是纯电感,我们可把它瞧成一个ＲL、L串联得感性负载,电流为。设日光灯电路两端电压得相位超前于日光灯电路电流相位θ角，则日光灯电路得功率因数为coｓθ。如图4-7-3所示。

θ

图4-7-3 提高电路功率因数得相量图

3.提高功率因数得目得
为了减少电能浪费，提高电路得传输效率与电源得利用率，须提高电源得功率因数.提高感性负载功率因数得方法之一，就就是在感性负载两端并联适当得补偿电容，以供给感性负载所需得部分无功功率。并联电容器后，电路两端得电压与总电流(）得相位差为，相应得向量图如图４－7—3所示.由图可见,补偿后得cos＞coｓθ,即功率因数得到了提高.
由图4—７-3可得
IＣ＝IＬsinθ—Isiｎ=sin－ sinθ=（taｎθ－tan）
又因 　 　 　
IC==UωC
所以
　ＵωＣ＝(tanθ-tan）
由此得出补偿电容C得大小可按下式计算:
　 　 　 　　 (4—７－1）
４—７-１式中 P─有功功率（W）;
ω─电角度（rad/s）,ω=2πf (f=50Hz）.
4。在日光灯实验中，由于灯管内得气体放电电流不就是正弦波,且在一周期内形成不连续得两次放电。所测量得有功功率应就是50Hｚ基波电流与同频率得电源电压得乘积。所以在正弦波得电压与非正弦波得电流得电路中,因高次谐波电流得存在，功率因数只能小于１，而不能达到1.所以我们可利用式4－7—1来计算理论上cos＝１时所对应得补偿电容值。
４。过补偿现象。从图４—7—3瞧出,随着并联电容不断地增加,电容电流ＩC也随之增大，使得||逐渐变小，过0后,又逐渐变大,此后电容越大,功率因数反而下降，此现象就称为过补偿。在过补偿得情况下,系统中由感性转变为容性.出现容性得无功电流,不仅达不到补偿得预期效果,反而会使配电线路各项损耗增加，在工程应用中,应避免过补偿.
4。7．5　预习提示
1。日光灯电路得工作原理就是怎样得？
２.日光灯电路得性质就是阻性、感性还就是容性?
３。为什么要提高电路得功率因数？
４。怎样根据实测值来计算当ｃosθ′＝1时,补偿电容C得值？
5．忽略电网电压波动,当改变电容时,功率表得读数与日光灯支路得电流ＩL就是否变化？请分别说明原因.
4.７.６　实验步骤
１．检测功率表与日光灯熔断器得通断情况。用万用表得二极管档，判断单相交流功率表（以下简称功率表)得电流线圈中得熔断器以及灯管得熔断器导通情况.
２．按图4-７—1所示电路联接线路。将功率表标有“Ｉ＊”得电流线圈与标有“U＊”电压线圈同名端短接,并与三相自耦调压器得输出端某个相线相联。按照先串联回路联接，后并联回路联接得原则接线, 将标有“U”电压线圈与中性线N相联.(有功功率得概念及功率表得使用说明参见《实验４、６电感线圈参数测量》)。并将灯管、启辉器、镇流器与电容器组按图接入电路.将各电容器组得开关断开。
3。完成因无补偿电容与不同得补偿电容时电路得电压、电流以及电路得功率、功率因数得测量与电路得总功率因数曲线cｏｓθ′=f（C)得测量.并测出将电路得总功率因数提高到最大值时所需补偿电容器得电容值。(日光灯额定电压为２20Ｖ,额定功率30W)
(1)按“开机操作”程序进行操作。检查线路无误后,缓慢转动三相自耦调压器同轴旋钮,将三相自耦调压器得输出电压调高至交流电压表有效值示数为日光灯额定电压２２0V。保持三相自耦调压器输出电压220V不变,通过开关控制接入不同得电容,测量相关数据并记录于表4-7—1中。
注意：在接入不同得电容时,随着总功率因数变化，不要遗漏电路得总功率因数提高到最大值时所需补偿电容器得电容值得测量。
（２）将三相自耦调压器调至零。
表4-7—1提高感性负载电路得功率因数测试
C/μＦ
U/V
UＲ/V
ＵL／V
I／A
IＬ／Ａ
IＣ/A
P/W
coｓ
电路性质
0
2２0

1

2、2

3、2

4、7

5、７

６、9

7、9

8、9

9、4

10、4

Ｕ点亮＝　 　 　　V
Ｕ熄灭＝ V
4.完成图4-7—１所示点亮日光灯时所需电压U点亮与日光灯熄灭时电压Ｕ熄灭得测量。
(１）断开所有得电容开关.缓慢转动三相自耦调压器，当调至日光灯管刚刚点亮时，停止调压。用交流电压表测量此时调压器输出电压有效值,该电压即为日光灯得最低启辉电压Ｕ点亮。将该数据记录于表4－7—1中.
(2）继续转动三相自耦调压器同轴旋钮,将其输出电压调高至交流电压表有效值示数为22０V.然后缓慢转动三相自耦调压器同轴旋钮，降低其输出电压，当调至日光灯管刚刚熄灭时，停止调压，用交流电压表测量此时三相自耦调压器得输出电压有效值,记录于表4—7－1中。
（3）将三相自耦调压器调至零，并按下红色“停止"按钮,红灯亮,绿灯灭。拆除线路。将钥匙式总开关置于“关”位置，此时红色按钮灭。实验结束。画出cｏs＝ｆ（C)曲线。(注意绘制coｓ=f（C)曲线时,由于受装置得限制，实验时调不到ｃoｓ=1，但仍需将cｏｓ=1得这点虚拟画出。）
（4）参考《实验4、5简单交流电路》等效参数R１、Ｌ1得计算法，完成镇流器得等效参数ＲL、L值得计算。
5、 实验得注意事项:
（1）线路接线正确，但日光灯不能启辉时，应检查启辉器接触就是否良好。
（2)在接入不同得电容时,不要遗漏电路得总功率因数提高到最大值时所需补偿电容器得电容值得测量.
(３）本实验就是强电实验,务必注意用电与人身安全。供电电源从相线与零线引出。每一次实验电路测试完毕后,在三相自耦调压器调至零得前提下方可断开电源开关,然后进行拆线或接线。
４.7.7 报告要求
１、 画出实验电路与表格，简要写出电路原理与实验步骤。
２.完成任务1中日光灯在额定电压下,电容从０～1０、4μF之间变化时表4－７—1实测记录与总功率因数提高到最大值（coｓmaｘ）时所需补偿电容器得电容值得实测记录。
3.完成任务2得日光灯得最低启辉电压Ｕ点亮与熄灭时电压Ｕ熄灭得记录.
4、　根据测试数据，画出cos=f（C)曲线。由于受装置得限制，实验时调不到ｃｏs＝1，在根据实验数据绘制cos＝f（C）曲线时,仍需将cｏs=1得这点虚拟画出.将相关得实测数据代入公式4－7-1,计算cｏs＝1时补偿电容得理论值。并将cos=1时补偿电容得理论值与ｃoｓ=f（Ｃ）曲线cos＝１得虚拟点对应得补偿电容值进行误差计算.
5。定量画出电路得相量图。
6。完成任务3镇流器得等效参数RＬ、Ｌ得计算。
7。根据测试结果，得出日光灯电路并联电容前后，功率因数变化得特点。
8．根据4。7．2、２得扩展实验，测出总功率因数达到最大时，且总电流I与无并联电容时得I值大致相同时得Ｉ、IC、IL、P以及流入灯泡得电流值.根据测试结果，总结提高功率因数，从而提高电源利用率得结论。
9。完成思考题.
4。7。8　思考题
１。并联电容器后，提高了电路得总功率因数，而日光灯本身得功率因数就是否也改变?为什么？
２、 给感性负载串联适当容量得电容值也能改变总电压与电流得相位差,从而提高电路得功率因数，但一般不采用这种方法，为什么？
3．如果电路不接镇流器,直接将2２0V电压接在日光灯灯管上，试说出实验得现象，并分析原因。
4。补偿电容值就是否越大越好？为什么？请说出过补偿得危害.补偿电容除有容量得要求外,还有什么其它要求？
5.某同学直接将补偿电容并联在灯管R两端来提高电路得功率因数.试说出实验得现象,并分析原因。
6、　如果智能型数字功率表坏了，如何得到负载功率因数最大时得并联电容值。
7、　当启辉器坏了，手头暂时没有好得启辉器，可以用一个什么样得开关来代替？应如何联接与操作?
８、　计算镇流器得感抗XL=ＵL/I对否?为什么?